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Paris, 19 SEPTEMBRE 2013

La cause des séismes profonds enfin démontrée ?

Des chercheurs de plusieurs laboratoires français 1 dirigés par Alexandre Schubnel du Laboratoire de géologie de l'Ecole normale supérieure (CNRS/ENS Paris) et américains (Universités de Californie et de Chicago) ont reproduit expérimentalement le mécanisme physique supposé être à l'origine des séismes profonds. Ces résultats publiés le 20 septembre 2013 dans la revue Science apportent la preuve expérimentale de l'hypothèse admise jusqu'ici qui imputait leur origine aux transformations de phases du principal minéral constituant le manteau terrestre, l'olivine. Ils ont été obtenus en utilisant des technologies de pointe dans les domaines de l'enregistrement micro-acoustique, de la déformation des matériaux en conditions extrêmes de pression et de température et de leur caractérisation par le rayonnement synchrotron.

De nos jours, la physique des séismes superficiels est relativement bien décrite par les théories de la rupture et du glissement sur les failles. Cependant, celle-ci ne s'applique plus dans le cas des séismes profonds, dont les hypocentres (foyers) sont compris entre 400 et 700 km de profondeur, là où la pression excède la centaine de milliers de bars. En effet, dans ces conditions la pression est telle que si une fracture s'initiait, elle ne pourrait pas glisser et être à l'origine de l'émission d'ondes sismiques.

Une théorie alternative a été proposée il y a déjà une cinquantaine d'années, imputant l'origine de ces séismes profonds aux transformations du principal minéral constituant le manteau terrestre, l'olivine2. Ce serait la simple transformation de l'olivine en une forme plus compacte sous l'effet de l'accroissement de pression lié à l'augmentation de la profondeur, qui provoquerait la rupture des roches dans la lithosphère océanique en subduction. Toutefois, cette hypothèse demeurait jusqu'à aujourd'hui activement débattue du fait notamment de l'absence d'un modèle physique convaincant ou de preuves expérimentales permettant de relier transformation de phases minéralogiques et fracturation dans ces conditions extrêmes de pression et de température. La série d'expériences réalisée par cette équipe apporte la preuve expérimentale qui manquait jusqu'alors.

Ces expériences ont été réalisées avec une presse gros volume installée sur une des lignes synchrotron de l'APS (advanced photon source, Argonne, Ilinois, USA). Elles ont consisté à déformer une roche synthétique constituée d'un agrégat compact de cristaux d'olivine de germanium (Mg2GeO4), un analogue structural de l'olivine naturelle, à des pressions de 2 à 5 gigapascals (20 à 50 mille bars) et des températures avoisinant les 900°-1000°C. Cet analogue présente l'avantage de se transformer à plus basse pression que l'olivine naturelle, ce qui permet de travailler sur des échantillons de plus gros volume.

Grâce à une caractérisation in situ, les chercheurs ont observé que la transformation de l'olivine de germanium vers sa forme de plus haute pression peut s'accompagner de la nucléation3 et de la propagation de fractures. Celles-ci se propagent suffisamment vite pour émettre d'intenses ondes ultrasoniques qui, bien qu'émises par des fractures millimétriques, présentent de remarquables similitudes avec les séismes profonds. Comme dans le cas de ces derniers, les ondes révèlent que le mécanisme de rupture à la source s'effectue en cisaillement pur. D'autre part, la distribution entre le nombre d'événements acoustiques et leur magnitude suit une loi statistique observée de manière universelle en sismologie (la loi de Gutenberg-Richter). Enfin, il s'avère qu'une même fracture initiée dans l'échantillon n'est jamais réactivée, ce qui n'est pas sans rappeler une caractéristique unique des séismes profonds, à savoir la quasi-absence de répliques.

Le plus grand séisme profond de l'ère instrumentale (Mw=8.3) a eu lieu le 24 mai 2013 à près de 620 km sous la mer d'Okhotsk (Pacifique russe). Du fait de sa profondeur, il n'a été que faiblement ressenti sur les îles de Sakhaline et d'Hokkaido, au Kamchatka et en Sibérie orientale russe. Comme la plupart des séismes profonds, et contrairement aux séismes superficiels, il n'a pas, ou presque, été suivi de répliques.

Seismes profonds

© A. Schubnel et al. 2013. Cette image est disponible à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr

Réseau de fractures conjuguées dont le glissement rapide est à l'origine des ondes ultra-soniques enregistrées au laboratoire. Ces fractures, dont l'épaisseur est parfois surlignée en gris clair sur la micrographie électronique, sont remplies de la phase de haute pression de l'olivine de germanium. L'enstatite de germanium (MgGeO3), phase blanche et globuleuse, inerte dans le système, sert de marqueur du glissement. La barre d'échelle, située en bas à gauche de l'image, correspond à 10 microns, c'est à dire dix millionièmes de mètre.




Notes :

1Des chercheurs du CNRS du Laboratoire de géologie de l'Ecole normale supérieure de Paris (CNRS/ENS Paris), de l'Institut des Sciences de la Terre de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier/IRD/IFFSTAR/ Université de Savoie) et de l'Unité Matériaux et Transformations de Lille (CNRS/Université de Lille 1/Ecole nationale supérieure de chimie de Lille).
2L'olivine, (Mg,Fe)2SiO4, se transforme, à l'équilibre, en wadsleyite à 410 km, puis en ringwoodite à 530 km dans le manteau terrestre. Ces trois minéraux ont la même composition chimique, mais une structure cristalline différente, de plus en plus compacte au fur et à mesure que la pression augmente avec la profondeur.
3 Les fractures nucléent probablement dans une zone où les défauts cristallins se sont accumulés au cours de la déformation intense de l'échantillon et où va s'initier la transformation de l'olivine vers sa forme de haute pression. Les ondes acoustiques sont émises lorsque la fracture ainsi initiée va se propager dans la roche.

Références :

Deep Focus Earthquake Analogs Recorded at High Pressure and Temperature in the Laboratory, Alexandre Schubnel, Fabrice Brunet, Nadège Hilairet, Julien Gasc,Yanbin Wangand, Harry W. Green . Science, 20 septembre 2013.

Contacts :

Presse CNRS l Laetitia Louis l T 01 44 96 51 37 / 51 51 l presse@cnrs-dir.fr

Chercheur CNRS l Alexandre Schubnel l T 01 44 32 22 12/06 99 25 13 81 l aschubnel@geologie.ens.fr


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